CN109047761B - 一种金属增材制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种金属增材制造工艺，使SLS成型机的储料箱的Z轴运动台竖直向上移动预设的距离；使铺粉辊子将储料箱推出的金属粉末推至成型箱，使成型箱中形成金属粉末层，并使铺粉辊子将多余的金属粉末推至回收料箱进行回收；使金属粉末预热器将成型箱中的金属粉末层加热至设定温度，并打开连续激光器，使连续激光器对成型箱中的金属粉末层进行扫略成型；待连续激光器扫略过的成型表面冷却一段时间后使脉冲激光器对金属粉末层的表面进行冲击强化；使成型箱的Z轴运动台竖直向下移动预设的距离；重复上述步骤，直至最终零件逐层堆积成型完毕。本发明金属增材制造工艺改善了采用金属增材制造工艺成型的零件的综合力学性能尤其是疲劳性能。

Description

一种金属增材制造工艺
技术领域
本发明涉及成型工艺技术领域，特别是涉及一种金属增材制造工艺。
背景技术
增材制造技术又称3D打印技术或3D快速成型技术，起源于20世纪80年代，是一种以数字模型文件为基础，采用离散材料，通过逐层累加的方式来制造任意复杂物体的技术。目前国内外已经有十几种不同类型的增材制造技术，其中比较成熟的有选择性激光烧结技术SLS(SelectiveLaserSintering或直接金属激光烧结技术DMLS)和熔积成型法FDM(FusedDepositionModeling)等。其中SLS法是利用粉末材料在激光照射下烧结，由计算机控制层叠堆积成型，其一般步骤为：首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结，直至完成整个模型成型。FDM法是将丝状热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出，沉积在制作面板或前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。
由于现有的金属增材制造技术，大多使用的是直径几十微米的金属粉末，在高能激光辐照下，材料产生气化扰动，导致粉末分布不均匀，加之辐照能力的波动容易在成型零件内部产生孔洞和缺陷，温度场的不均匀分布，使得粉末在成形过程中被氧化变质，造成难以预计的缺陷，因此，金属3D打印的零件其机械性能都远远低于相应的锻件性能。此外，由于打印过程采用的是粉末层叠堆积方法，其打印精度直接受最小切片厚度的影响，减小切片厚度虽能提高打印精度，但会大大增加打印时间和成本，且实际打印中由于粉末颗粒和已成型部位受热胀冷缩影响，也会增加零件的变形降低其精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属增材制造工艺，以解决上述现有技术存在的问题，改善采用金属增材制造工艺成型的零件的综合力学性能尤其是疲劳性能，使成型零件的组织更加紧密，提高成型零件的性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种金属增材制造工艺，包括以下步骤：
(1)使SLS成型机的储料箱的Z轴运动台竖直向上移动预设的距离；
(2)启动所述SLS成型机的铺粉辊子，使所述铺粉辊子将储料箱推出的金属粉末均匀的推至所述SLS成型机的成型箱，使所述成型箱中形成金属粉末层，并使铺粉辊子将多余的金属粉末推至所述SLS成型机的回收料箱进行回收；
(3)使所述铺粉辊子回退至初始位置，并关闭所述铺粉辊子；打开金属粉末预热器，按照预设的加热速率加热所述成型箱中的金属粉末层；
(4)在进行步骤(3)时调节好连续激光器的输出功率、光斑形状和尺寸，将成型箱中的金属粉末层加热至设定温度后关闭所述金属粉末预热器，并打开所述连续激光器，使所述连续激光器按预设的的扫描速度沿着预设的扫描路径对所述成型箱中的金属粉末层进行扫略成型；
(5)调节好脉冲激光器的功率密度、光斑形状和尺寸，待所述连续激光器扫略过的成型表面冷却一段时间后打开所述脉冲激光器，使所述脉冲激光器按预设的扫描速度和冲击频率沿着预设的工艺路径对所述成型箱中的已成型的金属粉末层的表面进行冲击强化；
(6)待所述脉冲激光器对所述所述成型箱中的金属粉末层的表面扫略完毕后，使所述成型箱的Z轴运动台竖直向下移动预设的距离；
(7)重复步骤(1)至步骤(6)，直至最终零件逐层堆积成型完毕。
优选地，在步骤(4)中关闭所述金属粉末预热器的同时打开所述连续激光器。
优选地，步骤(1)至步骤(7)均由计算机控制系统控制进行。
优选地，所述金属粉末预热器、连续激光器、脉冲激光器均位于所述SLS成型机的上方。
优选地，所述储料箱的Z轴运动台竖直向上移动的距离和所述成型箱的Z轴运动台竖直向下移动预设的距离均根据不同增材制造金属粉末材料的性能确定。
优选地，所述连续激光器利用圆光斑进行扫略。
优选地，所述脉冲激光器利用圆光斑或线光斑进行扫略。
优选地，当所述连续激光器和所述脉冲激光器都利用圆光斑进行扫略时，所述连续激光器和所述脉冲激光器的扫描路径相同。
优选地，在进行逐层累积成型强化过程中，要保证同一层的金属粉末层中的脉冲激光冲击强化层的深度始终大于连续激光重结晶层的热影响层的深度。
本发明金属增材制造工艺相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明金属增材制造工艺改善了采用金属增材制造工艺成型的零件的综合力学性能尤其是疲劳性能，使成型零件的组织更加的紧密，提高了成型零件的性能。本发明金属增材制造工艺利用控制系统精确控制强脉冲激光器对连续激光器扫略过的成型表面进行冲击强化，由于高功率密度、短脉冲强激光能在成型表面施加较大的冲击载荷，一旦冲击压力波应力值大于材料本身的动态屈服值，材料便进入动态屈服状态并发生不可逆的塑性变形，形成塑性强化效果，只要控制脉冲激光冲击强化过程的强化层深度始终大于连续激光增材制造重结晶过程的热影响层深度，前一冲击强化形成的塑性强化效果就会保留于已成型层，并使材料遗留适当的残余压应力而提高了整体的疲劳性能，在冲击压应力的作用下，形成的材料组织也更加紧密，力学性能更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明金属增材制造工艺的工作原理示意图；
图2为本发明金属增材制造工艺中连续激光器和脉冲激光器均利用圆光斑进行扫略时的第一种扫描路径示意图；
图3为本发明金属增材制造工艺中连续激光器和脉冲激光器均利用圆光斑进行扫略时的第二种扫描路径示意图；
图4为本发明金属增材制造工艺中连续激光器和脉冲激光器均利用圆光斑进行扫略时的第三种扫描路径示意图；
图5为本发明金属增材制造工艺中脉冲激光器利用线光斑进行扫略时的第一种扫描路径示意图；
图6为本发明金属增材制造工艺中脉冲激光器利用线光斑进行扫略时的第二种扫描路径示意图；
其中，1-回收料箱，2-回收料箱Z轴运动台，3-回收粉末，4-计算机控制系统，5-控制信号，6-成型余料，7-金属粉末预热器，8-X-Y扫描镜，9-脉冲激光器，10-连续激光器，11-成型箱，12-铺粉辊子，13-金属粉末，14-储料箱，15-储料箱Z轴运动台，16-成型零件，17-成型箱Z轴运动台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种金属增材制造工艺，以解决现有技术存在的问题，改善采用金属增材制造工艺成型的零件的综合力学性能尤其是疲劳性能，使成型零件的组织更加紧密，提高成型零件的性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本实施例金属增材制造工艺，包括以下步骤：
(1)使SLS成型机的储料箱Z轴运动台15竖直向上移动预设的距离；
(2)启动SLS成型机的铺粉辊子12，使铺粉辊子12将储料箱14中的金属粉末13推出，并储料箱14推出的金属粉末均匀的推至SLS成型机的成型箱11，使成型箱11中形成金属粉末层，并使铺粉辊子12将多余的金属粉末推至SLS成型机的回收料箱1进行回收；
(3)使铺粉辊子12回退至初始位置，并关闭铺粉辊子12；打开金属粉末预热器7，按照预设的加热速率加热成型箱11中的金属粉末层；
(4)在进行步骤(3)时调节好连续激光器10的输出功率、光斑形状和尺寸，将成型箱11中的金属粉末层加热至设定温度后关闭金属粉末预热器7，同时打开连续激光器10，使连续激光器10通过X-Y扫描镜8按预设的的扫描速度沿着预设的扫描路径对成型箱11中的金属粉末层进行扫略成型；
(5)调节好脉冲激光器9的功率密度、光斑形状和尺寸，待连续激光器10扫略过的成型表面冷却一段时间后打开脉冲激光器9，使脉冲激光器9按预设的扫描速度和冲击频率沿着预设的工艺路径对成型箱11中的已成型的金属粉末层的表面进行冲击强化；
(6)待脉冲激光器9对成型箱11中的金属粉末层的表面扫略完毕后，使成型箱Z轴运动台17竖直向下移动预设的距离；
(7)重复步骤(1)至步骤(6)，直至最终零件逐层堆积成型完毕。
本实施例步骤(1)至步骤(7)均由计算机控制系统4控制自动进行，计算机控制系统4通过控制信号5控制各个元件；在零件成型后，成型箱11中的金属粉末形成成型零件16和成型余料6。金属粉末预热器7、连续激光器10、脉冲激光器9均位于SLS成型机的上方；储料箱Z轴运动台15竖直向上移动的距离和成型箱Z轴运动台17竖直向下移动预设的距离均根据不同增材制造金属粉末材料的性能确定。为了获得组织紧密且疲劳性能和力学性能良好的成型零件16，在进行逐层累积成型强化过程中，要保证同一层的金属粉末层中的脉冲激光冲击强化层的深度始终大于连续激光重结晶层的热影响层的深度。
图2-4所示为当连续激光器10和脉冲激光器9都利用圆光斑进行扫略时的扫描路径，当连续激光器10和脉冲激光器9都利用圆光斑进行扫略时连续激光器10和脉冲激光器9的扫描路径相同。脉冲激光器9还可以利用线光斑进行扫略，参照图5和图6。
此外，随着回收料箱1中回收粉末3的增多，需使回收料箱Z轴运动台竖直向下运动一定距离，以使回收料箱1容纳更多的回收粉末3。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种金属增材制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使SLS成型机的储料箱的Z轴运动台竖直向上移动预设的距离；
(2)启动所述SLS成型机的铺粉辊子，使所述铺粉辊子将储料箱推出的金属粉末均匀的推至所述SLS成型机的成型箱，使所述成型箱中形成金属粉末层，并使铺粉辊子将多余的金属粉末推至所述SLS成型机的回收料箱进行回收；
(3)使所述铺粉辊子回退至初始位置，并关闭所述铺粉辊子；打开金属粉末预热器，按照预设的加热速率加热所述成型箱中的金属粉末层；
(4)在进行步骤(3)时调节好连续激光器的输出功率、光斑形状和尺寸，将成型箱中的金属粉末层加热至设定温度后关闭所述金属粉末预热器，并同时打开所述连续激光器，使所述连续激光器按预设的扫描速度沿着预设的扫描路径对所述成型箱中的金属粉末层进行扫略成型；
(5)调节好脉冲激光器的功率密度、光斑形状和尺寸，待所述连续激光器扫略过的成型表面冷却一段时间后打开所述脉冲激光器，使所述脉冲激光器按预设的扫描速度和冲击频率沿着预设的工艺路径对所述成型箱中的已成型的金属粉末层的表面进行冲击强化；
(6)待所述脉冲激光器对所述成型箱中的金属粉末层的表面扫略完毕后，使所述成型箱的Z轴运动台竖直向下移动预设的距离；
(7)重复步骤(1)至步骤(6)，直至最终零件逐层堆积成型完毕；
所述金属粉末预热器、连续激光器、脉冲激光器均位于所述SLS成型机的上方；所述储料箱的Z轴运动台竖直向上移动的距离和所述成型箱的Z轴运动台竖直向下移动预设的距离均根据不同增材制造金属粉末材料的性能确定；在进行逐层累积成型强化过程中，要保证同一层的金属粉末层中的脉冲激光冲击强化层的深度始终大于连续激光重结晶层的热影响层的深度。
2.根据权利要求1所述的金属增材制造工艺，其特征在于：步骤(1)至步骤(7)均由计算机控制系统控制进行。
3.根据权利要求1所述的金属增材制造工艺，其特征在于：所述连续激光器利用圆光斑进行扫略。
4.根据权利要求1所述的金属增材制造工艺，其特征在于：所述脉冲激光器利用圆光斑或线光斑进行扫略。
5.根据权利要求1所述的金属增材制造工艺，其特征在于：当所述连续激光器和所述脉冲激光器都利用圆光斑进行扫略时，所述连续激光器和所述脉冲激光器的扫描路径相同。
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